[发明专利]波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法

权利要求书

1.一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，其中：

所述激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值；

所述数据转换单元包括依次连接的放大器、模数转换器、控制器、数模转换器和电流源，所述放大器连接光电探测器，所述电流源连接激光器；

所述控制器输出控制信号和数据信号给数模转换器，使数模转换器输出周期性的电压模拟信号，每一个周期内，电压模拟信号分为2个阶段：第一阶段，电压值为较低的恒定值；第二阶段，电压值为锯齿波形，且起始电压明显高于第一阶段的恒定电压；

控制器接收数字信号后，在每一个周期内，首先利用第一阶段的数字量，对第二阶段的数字量进行补偿，然后计算第二阶段数字量与被测气体浓度为零时的数字量的差异，最后根据差异大小计算被测气体浓度值。

2.如权利要求1所述的一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：电流源将数模转换器的电压模拟信号转换为电流模拟信号，驱动激光器，激光器在电流源的激励下，输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器。

3.如权利要求1所述的一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：光电探测器将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给放大器，放大器将微弱电流模拟信号转换为电压模拟信号，并进行幅度放大，输出给模数转换器，模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号，输出给控制器。

4.如权利要求1所述的一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：所述激光器连接有温控器，保持激光器的温度恒定；

或，所述环形器有三个端口，第一端口接收激光器的光信号；第二端口将第一端口的光信号通过光纤传输给反射式探头，并将反射式探头返回的光信号传输给第三端口，第三端口通过光纤输出光信号给光电探测器。

5.基于如权利要求1-4中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)激光器在驱动电流的作用下，输出光强和波长周期性变化的光信号；

(2)在开放光路中，光信号与被测气体相互作用；

(3)测量被测气体浓度为零时，每个周期的第二个阶段的返回光强；针对不同浓度的被测气体样品，测量得到每个周期的第一个阶段的返回光强，以及每个周期的第二个阶段的返回光强；

(4)比较被测气体浓度为零时每个周期的第二个阶段的返回光强和不同浓度的被测气体每个周期的第二个阶段的返回光强，差值最大的地方确定为光波长恰好对准被测气体吸收谱线中心波长的时刻，确定光波长对准被测气体吸收谱线中心波长时光信号与被测气体相互作用后的光强值和被测气体浓度的线性关系式；

(5)对光强波动进行补偿，计算出浓度标定时光信号与被测气体相互作用后的光强值，得到准确的被测气体浓度值。

6.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(1)中，分别利用每个周期的第一阶段恒定的光强值和第二阶段起始光强值，表示激光器的光信号，得到光强变化范围。

7.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，在探头的开放光路中，光信号与被测气体相互作用，被测气体的浓度与光强的关系为：在每个周期的第一个阶段，激光器的波长远离被测气体的吸收谱线，此时光强的变化与被测气体浓度没有关系；在每个周期的第二个阶段，激光器的波长扫描范围覆盖被测气体的吸收谱线，当光波长对准吸收谱线的中心波长时，光强的衰减量与被测气体浓度呈线性关系。